EP0302784B1 - Conduites tubulaires flexibles stables en longueur sous l'effet d'une pression interne - Google Patents

Description

• La présente invention est relative à des conduites tubulaires flexibles stables en longueur sous l'effet d'une pression interne.
• La présente invention est en particulier relative à des conduites tubulaires flexibles de transport de fluides sous pression, tels qu'en particulier les hydrocarbures produits lors de l'exploitation de puits sous-marins.
• La société déposante fabrique et commercialise en grande longueur de telles conduites qui présentent des caractéristiques mécaniques élevées, notamment de résistance à la traction, à l'écrasement et à la pression interne du fluide transporté.
• Ainsi la société déposante fabrique des conduites comportant essentiellement une gaine interne d'étanchéité, une armure de résistance à la traction composée habituellement de deux nappes croisées constituées chacune de fils disposés en hélice autour de la conduite avec un même angle d'armage, les fils des deux nappes étant enroulés avec des angles opposés par rapport à l'axe de la conduite, une armure de résistance à la pression comportant une ou plusieurs nappes de feuillard agrafé ou de fils profilés enroulés par spiralage sous un angle proche de 90° par rapport à l'axe de la conduite, et une gaine externe. Il s'agit de conduites de type "smooth-bore".
• Les conduites de type "rough bore" comportent en outre, sous la gaine interne d'étanchéité, une armure de résistance à l'écrasement et à la pression extérieure constituée généralement par un enroulement hélicoïdal à faible pas d'un ou plusieurs profilés agrafables, notamment du feuillard d'acier.
• Dans certains cas l'armure de résistance à la pression est supprimée et les fils des deux nappes d'armure sont alors posés à l'angle d'équilibre, soit à 55° par rapport à l'axe de la conduite.
• Dans certaines applications, notamment dans le cas où les conduites utilisées pour la collecte d'hydrocarbures produits par des puits sous-marins doivent être ensouillées, c'est-à-dire disposées au fond d'une tranchée creusée dans le fond sous-marin, il est essentiel d'éviter un allongement axial notable de la conduite flexible en service sous l'effet de la pression interne du fluide transporté car un tel allongement axial entraîne une déformation de la conduite risquant de provoquer un désensouillage de celle-ci.
• Des tentatives ont été faites pour proposer des conduites tubulaires flexibles présentant un allongement aussi faible que possible en service sous pression interne élevée.
• Ainsi FR-A 2 557 254 décrit une conduite tubulaire flexible comportant une armure de résistance à la traction constituée d'au moins une paire de nappes d'armage généralement posées avec un angle d'armage compris entre 15 et 45° par rapport à l'axe de la conduite et une armure de résistance à la pression comportant une ou plusieurs couches de fils spiralées. Ce document prévoit d'utiliser des rapports déterminés entre les rigidités des fils des couches spiralées de l'armure de résistance à la pression et des nappes de fils constituant l'armure de résistance à la traction.
• Dans le cas habituel où tous les fils sont en un même matériau, par exemple en acier, ce rapport se réduit à un rapport d'épaisseurs.
• Si les modules d'élasticité des fils des couches spiralées et des fils des nappes d'armure de résistance à la traction sont identiques, l'on obtient un rapport d'épaisseurs élevé, (compris entre 2, 5 et 8) entre l'armure de résistance à la traction et l'armure de résistance à la pression, ce qui accroît notablement le poids linéaire de la conduite et donc son coût.
• En outre, on ne peut tirer pleinement profit de la vitesse de fonctionnement des armeuses qui est dans la pratique nettement supérieure à la vitesse de fonctionnement d'une spiraleuse.
• Il a par ailleurs été proposé dans FR-A 2 464 423 d'utiliser une armure constituée d'une pluralité de paires de nappes croisées de fils d'armage. Ce document ne donne cependant aucune solution constructive en vue d'assurer une stabilité demensionnelle notamment en sens axial de la conduite flexible sous l'action d'une pression interne. De plus, il prévoit la présence d'une ou plusieurs paires de nappes enroulées selon un angle proche de 90° par rapport à l'axe de la conduite, c'est-à-dire qu'il s'agit de fils spriralés avec les inconvénients mentionnés ci-dessus.
• Les études effectuées par la société déposante montrent que lors d'une mise en pression interne d'une conduite flexible deux étapes de déformation axiale se produisent successivement.
• On constate tout d'abord pour une montée en pression relativement faible par exemple jusqu'à 5 MPa une déformation axiale relativement importante résultant de manière inévitable de l'existence de jeux de fabrication entre les nappes de fils d'armure et du fait de la déformation de matériaux de remplissage éventuellement placés entre les couches d'armure.
• Si des mesures constructives particulières ne sont pas prévues, il se produit alors une phase ultérieure de déformation qui peut être importante lorsque la pression interne est élevée ce qui est le cas dans les applications pratiques où des pressions de services peuvent atteindre des valeurs de plusieurs dizaines de MPa.
• La présente invention se propose de réaliser une conduite tubulaire flexible qui, par des mesures constructives particulières, ne présente au cours de la deuxième phase de déformation mentionnée ci-dessus qu'une déformation faible ou nulle.
• Les mesures préconisées par la présente invention permettent de réaliser des conduites qui, lors d'une mise en pression, peuvent présenter un raccourcissement au cours de la second phase de déformation, ce raccourcissement pouvant s'ajouter à un raccourcissement déjà obtenu au cours de la première phase de déformation ou compensant totalement ou partiellement un allongement qui se serait produit lors de la première phase de déformation.
• En d'autres termes, l'invention permet de réaliser des conduites dont les variations dimensionelles, notamment en sens axial, peuvent être parfaitement contrôlées de manière à présenter un certain allongement lors de l'application d'une pression intérieure élevée, si un tel allongement est admissible, compte tenu des conditions d'utilisation, une stabilité dimensionnelle ou encore un raccourcissement contrôlé.
• Ce but est atteint selon l'invention par le fait que la conduite tubulaire flexible comprend au moins deux paires de nappes de fils enroulés hélicoïdalement, c'est-à-dire à pas constant, ayant un comportement à l'allongement linéaire et élastique, les deux nappes d'une même paire étant composées de fils identiques posés selon un même angle d'armage mais en sens opposé, tous les fils étant posés selon l'un de deux angles d'armage l'un inférieur à 55° (α_a) l'autre supérieur à 55° (α_b) les fils d'au moins une paire de nappes présentant un même angle d'armage α_a tel que: $${\text{40° ≦ α}}_{\text{a}}\text{ ≦ 53°}$$

  

  
  et les fils d'au moins une paire de nappes présentant un même angle d'armage αb tel que:
  $${\text{57° ≦ α}}_{\text{b}}\text{ ≦ 70°}$$

  

  
  lesdites nappes étant agencées de manière à satisfaire la relation:

  

  avec:

  

  

  
  avec:

n_a =

nombre de paires de nappes armées à l'angle α_a.

n_b =

nombre de paires de nappes armées à l'angle α_b.

• ka_i (et respectivement kb_j)  =  rigidité à l'allongement axial des fils de chacune des paires de nappes d'armure i (et respectivement j) armées à l'angle α_a (et respectivement α_b).
• k étant défini par k  =  T/ε
• où T est la tension dans le fil correspondant et ε est l'allongement relatif du fil.
  ℓ′a_i (et respectivement ℓ′b_j)  =  valeur moyenne de la largeur occupée par les fils, c'est-à-dire la largeur du fil mesurée dans la section droite du fil et dans le plan tangent au cylindre dessiné par la nappe d'armure augmentée du jeu entre deux fils successifs, cette largeur étant déterminée par:

  

  
  où
• Dk est le diamètre moyen de la couche de fils
• αk est l'angle d'armage
• Nk est le nombre de fils d'armage
• Di es le diamètre interne de la première nappe de fils d'armage intérieure.
• Dma est le diamètre moyen des n_a paires de nappes armées selon l'angle α_a
• Dmb est le diamètre moyen des n_b paires de nappes armées selon l'angle α_b.
• Pour des réalisations avantageuses de conduites selon l'invention le rapport $$\frac{\text{Rρ}}{\text{Rρο}}$$

  

  satisfait de préférence à la relation:
  $$\text{0,7 < }\frac{\text{Rρ}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

  

  
  et plus particulièrement à la relation:
  $$\text{1 < }\frac{\text{Rρ}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

  

  
  si l'on souhaite obtenir dans tous les cas un raccourcissement de la conduite flexible sous l'application d'une pression interne.
• Dans un mode de réalisation particulier de l'invention il est prévu deux paires de nappes de fils d'armage la valeur Rρ étant alors définie par la relation suivante:
  $$\text{Rρ = }\frac{\text{ka}}{\text{kb}}\text{ × }\frac{\text{ℓ′b}}{\text{ℓ′a}}$$

  

  
  
• Si l'on utilise des fils plats jointifs où sensiblement jointifs de section rectangulaire ou méplate en un matériau unique linéairement élastique et avec des épaisseurs de fils pour les deux nappes internes et respectivement pour les deux nappes externes identiques, la conduite tubulaire flexible selon l'invention se caractérise par la relation suivaante:

  

  avec

  

  Re étant le rapport épaisseurs des fils d'armures posés respectivement selon les angles αa et αb, eai et ebj étant les épaisseurs des nappes respectives posées selon les angles α_a et α_b.
• De préférence le rapport $$\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}$$

  

  
  satisfait à la relation:
  $$\text{0,7 < }\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

  

  
  
  et en particulier:
  $$\text{1 < }\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

  

  
  
• Les nappes de fils d'armage présentant l'angle d'armage le plus faible (αa) sont avantageusement disposées à l'intérieur par rapport aux nappes de fils d'armage présentant l'angle d'armage (αb) plus élevé pour dans tous les cas obtenir un raccourcissement au cours de la première phase de déformation.
• En tant que fils d'armure selon l'invention, on peut utiliser des fils d'acier ou en matériaux composites par exemple constitués de fibres minérales telles que du verre ou du carbone, ou organiques, telles que des fibres aramides noyées dans une matrie de résine thermoplastique, telle qu'une résine polyamide, ou thermodurcissable telle qu'une résine époxy.
• Selon l'invention les fils d'armure peuvent être constitués de torons ou de câbles réalisés à partir de fils d'acier.
• Les fils d'armure peuvent également être constitués de fibres parallèles en matériau plastique, par exemple en polyester entourées d'une tresse ou d'une gaine.
• Des gaines en matière plastique ou élastomérique peuvent être disposées entre les paires de nappes de fils ou les nappes d'une paire.
• On peut selon l'invention réaliser aussi bien des structures de type smooth-bore que de type rough-bore.
• Le dessin annexé illustre schématiquement une conduite selon l'invention.
• Celle-ci comprend une gaine extérieure de protection 1 en matériau plastique ou élastomérique, une paire de nappes de fils d'armage 2, 3 posées selon l'angle α_b, une paire de nappes de fils d'armage 4, 5 posées selon l'angle α_a et une gaine interne d'étanchéité 6 en un matériau plastique ou élastomérique. Dans l'exemple illustré d'une structure de type rough-bore, il est en outre prévu une armure intérieure 7, par exemple en feuillard agrafé, assurant la résistance à l'écrasement et à la pression extérieure.
• On va ci-après décrire des exemples de réalisation de conduites tubulaires flexibles selon l'invention.
• On a étudié cinq conduites tubulaires flexibles dont les caractéristiques sont reportées sur le tableau ci-après:

  
• Les quatres premières conduites présentent une structure rough-bore correspondant à celle représentée dans la figure du dessin.
• L'exemple de la figure 5 décrit également une structure rough-bore comportant sur la gaine d'étanchéité intérieure deux paires de nappes de fils d'armage posés selon le même angle α_a.
• Dans les exemple 1, 2 et 5 des gaines intermédiaires ont été rajoutées entre des paires de nappes de fils d'armage.
• Les fils d'armage sont des fils d'acier haute résistance (limite élastique de l'ordre de 140 daN/mm²) plats et sensiblement jointifs.
• Après mise sous pression interne et à la suite de la première phase de déformation constituant essentiellement le rattrapage des jeux de fabrication, on a obtenu pour chacune des conduites tubulaires flexibles étudiées les variations relatives de longueur suivantes à une pression interne de 40 MPa.
• Flexible 1:  +  3,8  ×  10^_3
• Flexible 2:  _  3,7  ×  10^_3
• Flexible 3:  _  1,2  ×  10^_3
• Flexible 4:  _  1,8  ×  10^_3
• Flexible 5:  _  1,3  ×  10^_3

Claims (9)

1. Conduite tubulaire flexible comportant une gaine interne d'étanchéité (6), une armure (2, 3, 4, 5) constituée d'au moins deux paires de nappes de fils enroulés hélicoïdalement, les deux nappes d'une même paire étant composées de fils identiques posés selon un même angle d'armage mais en sens opposé, et une gaine externe de protection (1), caractérisée par le fait que tous les fils sont posés selon l'un de deux angles d'armage l'un inférieur à 55° (α_a) l'autre à 55° (α_b) les fils d'au moins une paire de nappes présentant un même angle d'armage α_a tel que:
$${\text{40° ≦ α}}_{\text{a}}\text{ ≦ 53°}$$

et les fils d'au moins une paire de nappes présentant un même angle d'armage α_b tel que:
$${\text{57° ≦ α}}_{\text{b}}\text{ ≦ 70°}$$

lesdites nappes étant agencées de manière à satisfaire la relation:

avec:

et:

avec:
n_a  =  nombre de paires de nappes armées à l'angle α_a.
n_b  =  nombre de paires de nappes armées à l'angle α_b.
ka_i (et respectivement kb_j)  =  rigidité à l'allongement axial des fils de chacune des paires de nappes d'armure i (et respectivement j) armées à l'angle α_a (et respectivement α_b).
k étant défini par k  =  T/ε
où T est la tension dans le fil correspondant et ε est l'allongement relatif du fil.
ℓ′a_i (et respectivement ℓ′b_j)  =  valeur moyenne de la largeur occupée par les fils, c'est-à-dire la largeur du fil mesurée dans la section droite du fil et dans le plan tangent au cylindre dessiné par la nappe d'armure augmenté du jeu entre deux fils successifs, cette largeur étant déterminée par:

où
Dk est le diamètre moyen de la couche de fils
αk est l'angle d'armage
N_k est le nombre de fils d'armage
Di est le diamètre interne de la première nappe de fils d'armage intérieure.
Dma est le diamètre moyen des n_a paires de nappes armées selon l'angle α_a
Dmb est le diamètre moyen des n_b paires de nappes armées selon l'angle α_b.

2. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 1, caractérisée par la relation suivante:
$$\text{0,7 < }\frac{\text{Rρ}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

3. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par la relation suivante:

$$\text{1 < }\frac{\text{Rρ}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

4. Conduite tubulaire flexible notamment selon la revendication 1 comportant des fils d'armage plats jointifs ou sensiblement jointifs de section rectangulaire ou méplate en un matériau unique linéairement élastique, caractérisée par la relation suivante: $$\text{0,5 < }\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}\text{ < 2}$$

Re étant le rapport des épaisseurs des fils d'armage posés respectivement selon les angles α_a et α_b, eai et ebj étant les épaisseurs des nappes respectives posées selon les angles α_a et α_b.

5. Conduite tubulaire flexible selon la revendication 4, caractérisée par le fait que le rapport $$\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}$$

satisfait à la relation:
$$\text{0,7 < }\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

6. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que le rapport $$\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}$$

satisfait à la relation:
$$\text{1 < }\frac{\text{Re}}{\text{Rρο}}\text{ < 1,7}$$

7. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux paires de nappes de fils d'armage.

8. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par le fait que les nappes de fils d'armage présentant l'angle d'armage le plus faible α_a sont disposées à l'intérieur par rapport aux nappes de fils d'armage présentant l'angle d'armage α_b plus élevé.

9. Conduite tubulaire flexible selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre sous la gaine d'étanchéité une armure (7) de résistance à l'écrasement et à la pression extérieure constituée par un enroulement hélicoïdal à faible pas d'un ou plusieurs profilés agrafables.

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